基于微操作技术的生物微纳机器人仿生机理研究

In this project, we propose miniature, and energy-efficient bio-mimetic propulsion concepts of interfacing bacteria with liposome by means of antibody, with the ultimate goal of using bacteria with liposome for actuation, control, sensing, and moving towards target. The research work presented here intends to investigate the stochastic nature of bacterial propulsion of liposome, which is important for developing next-generation bio-hybrid swimming micro-robots finding applications in diverse fields ranging from biomedical to environmental applications. Flagellated bacteria have been utilized as potential swimming micro-robotic bodies for propulsion of spherical liposome by attaching several bacteria on their surface. Liposome as a drug delivery vehicle can contain biologically active compounds. In this work, the antibody binding technique is developed to attach bacteria to liposome's surface. Consequently, the stochastic effect of bacterial propulsion of liposome is investigated analytically and experimentally. Theoretical research can be expanded to encompass control of the trajectory of bacteria-propelled liposome, stochastic model for bacteria propulsion of liposome and model of drug release, etc. Experimental insight into the chemotactic behavior of the bacteria in chemical gradients coupled with a theoretical stochastic propulsion model, will potentially enable design and control of bacteria propelled swimming micro-robots for future targeted drug delivery applications.

本课题以生物医学用微纳机器人定向靶位治疗药物传输系统为背景开展其仿生机理研究。以鞭毛菌的鞭毛摆动作为微纳米机器人的驱动力，着重对生物微纳机器人定向靶位治疗仿生驱动模型、仿生药物微囊仿生模型与生物医学制备、基于抗体技术的生物绑定模型与微操作试验、微纳机器人的运动控制模型与目标识别模型、仿生药物微囊定向靶位药物释放机理模型等科学问题进行理论和试验基础研究。在微纳尺度下，开展多学科交叉研究，突破其中的关键技术，通过机器人化原位微纳操作技术，建立定向靶位治疗仿生机理模型，形成生物医学用微纳米机器人仿生机理研究新的理论方法与实现技术，为微纳尺度条件下的微纳手术机器人，提供具有重要科学意义和应用价值的支撑技术，开辟出多学科交叉融合的新型微纳生物技术发展途径。

当人类遭遇疾病，或者人体某个部分感染时往往会服用或注射抗生素等药物，但是抗生素等药物在血液里会被稀释，真正起到治疗效果的只有很少部分药物，大部分药物只是对人体产生了副作用。如果能研制出微纳米机器人，利用微纳米机器人直接把适当剂量的药物送至感染或病患部位，不但减少了副作用，还提高了治疗效果。纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人，它是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。本课题以生物医学用微纳米机器人定向靶位治疗药物传输系统为背景开展其仿生机理研究工作。以鞭毛菌驱动微纳机器人为切入点，在微纳尺度下开展基于微纳操作仿生机理研究的定向靶位治疗仿生机理模型、仿生免疫药物微囊结构仿真与医学制备方法、微纳机器人的运动控制、药物释放机理模型研究。通过研究活体鞭毛菌驱动仿生药物微囊，开展机器人化微纳操作技术，建立靶位仿生机理模型；开展仿细胞膜免疫药物微囊结构仿真研究，与仿生药物微囊制备方法研究，研究成果所形成生物医学用微纳米机器人仿生机理研究新的理论方法与实现技术，为微纳尺度条件下的微纳机器人靶向药物释放，提供具有重要科学意义和应用价值的支撑技术，为具有广泛应用前景的、国际前沿的纳米手术机器人新技术研究奠定理论和技术基础。相关研究成果发表学术论文16篇，其中SCI收录的论文6篇，EI收录的论文10篇，申请并获得授权的发明专利有5项，组织国内学术研讨会3次；参加相关国际会议5次。培养研究生目前在读的硕士生有5人，在读的博士生有1人。